金属工艺学教案1

金

属

工

艺

学

数

案

编

者

:

机安

械荣

系

机

械

教

研

室

授课时间：班级：

本课课题：绪论

教学目的和要求：1.了解本课程的性质、任务和在生产中的地位。

2.了解本课程内容和机械产品制造全过程的概念。

3.熟悉学习本课程的基本要求和方法。

重点与难点：了解本课程的性质及意义。

教学方法：讲授法和录像观摩。

课型：理论课

金属工艺学（邓文英主编）

教学过程

绪论

一、为什么要学金属工艺学（机械工程材料工艺学）？

金属工艺学是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基

础课。它主要传授各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和

相互关系；金属零件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对

加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。

研究的对象：常用的工程材料、材料的各种加工处理工艺。

例如：

钢铁、铝合金、铜合金、塑料等材料及热处理工艺、焊接工艺、铸造

工艺、切削加工工艺等加工处理工艺。

举例：

常用主轴材料：45o技术要求：调质处理。

箱体材料：HT200o技术要求：退火。

国家工业发展的三大支柱：材料、信息、微机。

1.工程材料是国家工业发展的物质基础。

工业和日常生活都离不开工程材料的使用，研究材料最终是为人类的

文明进步而服务。

2.作为工科类专业所必须掌握的一门功课。

基础课一（桥梁）一专业课

机械工程材料工艺学是一门技术基础课，对专业课和基础课起着桥梁的

作用。

二、机械工程材料工艺学课程有什么特点？

1.本课程同实践紧密相联系，是一门实践性很强的学科。

2.通过生产实践才能融会贯通地学习掌握（安排了钳工、金工实习）。

3.为了弥补实践方面的不足，采用录像教学以及到工厂参观和实习，通过

师生的相互努力来学好这门功课。

三、怎样才能学好机械工程材料工艺学？

1.注意各章节的联系、学习、复习、巩固、应用、总结。

2.要理解、要提问题、不能累计问题。

3.抓住主要内容：金属材料及热处理基本知识，铸造、锻造、焊接、切削

加工基本常识。

随着科学技术和生产力的不断发展，金属工艺学的内容构成也有所发

展。应当指出，本课程的发展必然是有关学科的相互渗透和综合，而不是

兼收并蓄、包罗万象、内容越来越复杂。它仍属工艺学范畴。

金属工艺学是实践性很强的技术基础课，它有利于对学生进行技能训

练，有利于培养学生具有更高的实际能力和开拓精神。

录像教学：绪论J056（25分钟）

作业布置：

课后总结：

授课时间：班级：

本课课题：钢铁生产简介。

教学目的和要求：L了解炼铁的实质、原料、设备及产品（介绍常识知识）。

2.了解炼钢的实质、原料、设备及产品（介绍常识知识）。

重点与难点：炼钢和炼铁的过程。

教学方法：讲授法和录像观摩。

课型：理论课。

教学过程

第一篇金属材料导论

复习旧课：了解本课程的性质。

合金的定义：一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼或烧结

制成的具有金属特性的材料（导电性、延展性、光泽、导热

性）。

常用的是：钢和铁、铜合金、铝合金等（理论联系实际）。

钢铁的冶炼：

一、炼铁：

1.原料：

①空气一提供氧气，助燃作用。

②铁矿石一铁（有贫矿和富矿之分）我国常用的是Fe2Ch（赤铁矿）、Fe3CU

（磁铁矿）、Fe2O33H2O（褐铁矿）、（伴随着SiCh、MnO、S、P等杂质）。

③焦炭一还原剂、提供热能（炼焦厂生产）。

C+O2-*CO,+Q,CO2+C-*CO+Q

FezC^+COfFe+CO2t+Q

④熔剂f造渣剂，去除杂质，（石灰厂生产）CaC03（石灰石）、CaO（生石

灰）（举例：家用磷钮净水作用）。

CaC03-*Ca0+C021

CaO+Si02-CaSiO:i（t）

CaO+FeS-CaS（t）+FeO

FeO+COf...

2.设备：高炉。（衡量质量指标系数：焦炭比）。

组成：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。

3.产品：①生铁：炼钢制造铁制品等。

②高炉煤气：日用燃料等。

③炉铁渣：水泥、玻璃（提纯）。

二、炼钢：

1.原料：

①生铁一铁的来源。

②氧气一精炼提纯的作用。

Fe+02-FeO

FeO+Si-SiOz+Fe

FeO+C-*CO+Fe

FeO+MnfMnO+Fe

SiO2+MnO-*MnSi02(t)

③造渣剂(熔剂)(生石灰)一主要去除S、P等杂质。(举例：家用磷钮

净水作用)

Fe+SfFeS

CaO+FeS-*CaS(t)+FeO

P+O2-P2O5

Fe+P2O5-Fe3(POJ2

CaO+Fe3(PO,)2-*Ca3(P04)2(f)+FeO

2.设备：转炉（正在普及设备）、电弧炉（最好）、平炉（淘汰设备）。

3.产品：①钢锭（简称钢包）：有特镇静钢（TZ）、镇静钢（Z）、

半镇静钢（b）、沸腾钢（F）o

②钢渣。

③煤气。

录像：钢铁的冶炼简介J059（28分钟）

作业布置：

课后总结：

授课时间：班级：

本课课题：金属材料的力学性能。

教学目的和要求：熟悉强度和塑性的指标及其意义。

重点与难点：强度和塑性。

教学方法：讲授法和观摩法。

课型：理论课

教学过程

第一章金属材料的主要性能

复习旧课：钢铁的冶炼。提问：炼钢、铁的原料？

第一节金属材料的力学性能（机械性能）

材料的性能：

使用性能：物理性能、化学性能、力学性能（机械性能）。

工艺性能：热处理性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能。

力学性能的定义：材料在外力作用下，表现出（静载荷、动载荷、交变载

荷）的性能。

一、强度与塑性

概念：静载荷、应力

试验：拉伸实验试样一低碳钢、Lo=5do、Lo=lOdoGB（6397-86）

要求同学们实验指导书（图书馆查资料，锻炼学生的自学能力）。

材料的力学性能实验。

ALe

分析：（从中导出材料的强度和塑性）

,_

P：Fe>ALeoS：Fs>ALsoS*Fs、ALS-*ALSob—ALb、FfFb。......

(1)F=0、AL=0

(2)F<Fe、AL0-e<ALe

Fo-e=ALo-eXtga=ALo~eXK

O〜ALe：弹性变形阶段。

(3)Fe<F<Fs、ALe<AL<ALs

Fe~s声ALe〜sXtga

ALe-ALs塑性变形阶段(永久变形)(微量塑性变形)。

(4)F=Fs>Fs，、AL=ALS-*ALS',S屈服点(“屈服”现象)。

△Ls-AL；塑性变形阶段(屈服变形)

(5)Fs'<F<Fb、ALs'<AL<ALb

△L；〜ALb塑性变形阶段(大量塑性变形阶段)

(6)F=Fb、AL=ALb,Fb最大载荷、b缩颈点。

(7)Fk<F<Fb、ALb<AL<ALk,塑性变形(“缩颈”现象)。

(8)F=Fk断开。

1.强度：

定义：塑性变形、断裂的能力。

衡量指标：屈服强度、抗拉强度。

(1)屈服点：

定义：发生屈服现象时的应力。

公式：os=Fs/A0(MPa)

Fs一材料发生屈服现象时的力。

S。一材料的原始横截面面积。

条件屈服强度规定：ori),2=Fo.2/A0(无明显的屈服现象的材料)

应用：汽缸盖和汽缸体之间的密封性(螺栓联接)超过螺栓材料本身的屈

服强度。

(2)抗拉强度：

定义：最大应力值。

公式：ob=Fb/Ao

Fb一最大的载荷。

S。一材料的原始截面面积。

应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。

Os/Ob屈强比：越小，可靠性越高；越大，可靠性越低。

2.塑性：

定义：发生塑性变形，不破坏的能力。

衡量指标：伸长率、断面收缩率。

(1)伸长率：

定义：

公式：8=(Li-Lo)/LoX100%

Li一拉断后的长度。

L()一原来的试样长度。

注意：长、短试样测出的3值不相等(比较大小，要同样的试样)。

Lo=5do85

Lo=lOdo3io=3

85>5%一塑性材.料、35<5%一脆性材料。

45：65=18.7%Si<S5

(2)断面收缩率:

定义：

公式：T=(Ao-A|)/A0X100%

So-原截面面积。

Si—断口处断面面积。

+5用0

甲值越大，塑性越好。

总结：3中越大，塑性越好，越易变形但不会断裂。

录像：拉伸试验。

作业布置：

课后总结：

授课时间：班级:

本课课题：金属材料的力学性能。

教学目的和要求：1.掌握洛氏硬度、布氏硬度的试验原理、特点及其应用

范围。

2.了解金属夏比冲击试验、多次冲击试验简介。

3.了解金属疲劳的概念，提高疲劳强度的措施。

重点与难点：硬度、冲击韧性、疲劳强度的概念。

教学方法：讲授法

课型：理论课和录像观摩。

教学过程

复习旧课：强度和塑性的概念。

二、硬度

硬度：

定义：抵抗更硬物体压入的能力。

衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

1.布氏硬度：HB

试验：GB84o一定直径的钢球HBS（硬质合金HBW）,规定的载荷及时

间后。

HB=F/S（N/mm2）<650

举例：钢球直径：10mm,载荷：30KN（F=30D2）,时间：规定10（s）。

材料：压痕直径：do=3.92mm查表：HBS=239

（1）应用范围：铸铁、有色金属、非金属材料。

（2）优缺点：精确、方便、材料限制、非成品检验和薄片。

2.洛氏硬度：HR、（HRA、HRB、HRC）

试验：GB83o一定锥形的金刚石（淬火钢球），在规定载荷和时间后，测

出的压痕深度差即硬度的大小（表盘表示）。

HRA、HRB、HRCo一般通常习惯用HRC（无单位）。

（1）应用范围：钢及合金钢。

（2）优缺点：测成品、薄的工件，无材料限制，但不精确。

3.维氏硬度：

试验：GB83o一定锥形的金刚石，在规定的载荷、时间后。

HV=F/S

（1）应用范围：测薄片和镀层。

（2）优缺点：数值精确，但操作麻烦。

4.肖氏硬度HS、铿氏硬度、显微硬度HM

总结：数值越大，硬度越高。但相互之间不能比较，必须查表为同单位才

行。

三、韧性

概念：动载荷、“梅氏”试样（金属夏比试验）。

冲击韧度：

定义：抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

2

衡量指标：ak=Ak/A(J/cm)

ak一一次性冲击试验的标准。

多次冲击：AkIfOs、Ob。Akt-中、8

ak和温度有关：温度越低，ak越小。(低温易冲断)脆性临界转变温度。

四、疲劳强度

概念：交变载荷、疲劳现象

试验：疲劳实验法。

衡量指标：疲劳强度8

钢：1()7、有色金属：d。Cmax=5

五、蠕变和松弛：(补充内容)

1.蠕变：蠕变强度

高温下容易产生。

2.松弛：松弛强度

高温下容易产生。

录像：硬度试验、冲击试验和疲劳试验。

作业布置：

课后总结：

授课时间：班级：

本课课题：材料的物理性能、化学性能。

教学目的和要求：1.掌握材料的物理性能、化学性能（复习过去的相关内

容）。

2.了解它们在实际生产中的应用。

重点与难点：物理性能和化学性能的应用。

教学方法：讲授法

课型：理论课

教学过程

第二节金属材料的物理、化学及工艺性能

复习旧课：学习本课的实际意义。

金属的性能：物理性能、化学性能。

一、物理性能：

1.比重：单位体积内物体的重量。

密度：单位体积内物体的质量。

铁：7.8克/厘米3、铜：8.9克/厘米\铝：2.7克/厘米3、钛：4.51克/

厘米3

Y<5g/cm3f轻金属、Y>5g/cm3f重金属。

应用：飞机制造业、子弹头、检验材料、炼铁、炼钢、铅球等。

2.熔点：固体一液体的温度点。

凝固点：液体一固体的温度点。

铁：1538℃、铜：1083℃、铝：660℃、钛：1660ro

应用：耐高温材料（飞机、导弹、航天）、防火安全阀、熔断器（保险丝）

等。

3.热涨性：一般而言，金属材料具有热胀冷缩的性能。

材料不同，热胀冷缩的大小也不同。

应用：电线的形态、桥梁的架设、钢轨的铺设、精密的测量工具、电冰

箱、电饭锅等。

4.导热性：金属具有传导热能的性质。

导热材料的顺序：银、铜、铝等。

金属材料的杂质越多、导热性越差。高速钢导热性差，加热要缓慢，以防

开裂。

应用：陶瓷、水壶的水垢等。

5.导电性：金属具有传递电流的性质。

导电材料的顺序：银、铜、铝等。

应用：电火花加工（下册P.78〜80、电解加工、电子束加工及制造电线、

电缆、玻璃拉丝模等。

6.磁性；金属材料在磁场的情况下磁化（分为软磁和硬磁）。

例如：铁、锲、钻等。

应用：手表材料、磨床的磨削加工（P.71下册）等。

二、化学性能：

L耐蚀性（耐酸碱性）：金属材料抵抗腐蚀的性能。例如：钢铁生铁锈、铜

生铜绿（造成重大事故）。应用：食品行业、饮料行业、医药

行业、化工行业等。

2.抗氧化性：高温时抵抗氧化的能力。

应用：锻打、电焊、热处理等。

3.化学稳定性：在常温下，化学稳定的性能。

应用：耐热设备、高温锅炉等。

三、工艺性能：是指是否易于进行冷、热加工的性能。

包括：热处理性能（第三章）、铸造性能（第二篇）、焊接性能（第三篇）、

锻造性能（第四篇）、切削加工性能（第五篇）。（最后要和书名金

属工艺学联系上）

以上各种工艺性能将在以后有关章节中分别介绍。

作业布置：

课后总结：

授课时间：班级：

本课课题：铁碳合金的晶体结构与结晶过程。

教学目的和要求：1.了解晶体与非晶体，晶格、晶胞、晶格常数的意义。

熟悉两种常见的金属晶格类型。

2.了解结晶的概念、结晶基本过程，晶粒大小对金属力

学性能影响及其控制措施，纯铁的同素异晶转变。

重点与难点：铁碳合金晶体结构和同素异晶转变。

教学方法：讲授法

课型：理论课和录像观摩。

教学过程

第二章铁碳合金（钢和铸铁）

第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变

复习旧课：材料的力学性能。

一、金属的结晶

结晶：液态金属凝结成固态金属的现象。

概念：理论结晶温度一金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度To。

（计算出来的）

实际结晶温度一金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度Tn。

（实际测量出来的）（平时浇注的温度）

一、金属结晶的过冷现象：

过冷现象：

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn<To。

过冷度：To=Tn=AT（变量）。

冷却速度越大，过冷度越大。

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn<Too

过冷度：To=Tn=AT（变量）。

温度

冷却速度越大，过冷度越大。

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn＜To。

过冷度：To=Tn=AT（变量）。

冷却速度越大，过冷度越大。

1.在ab段：金属均呈现液体，

2.在be段：液体中某些原子结成晶核（自发晶核）（晶坯）晶核不断长大

形成枝晶直到晶粒。

3.在cd段：每一个晶核形成一个晶粒，从而形成含有多晶体的金属固体。

概念：晶粒、晶界。

晶核一枝晶一晶粒一多晶体。

晶核一枝晶一晶粒

晶界；晶粒。晶粒越多，晶界也越多，则晶粒移动所受的阻力越大，宏观

来看，材料越不容易发生变形，即材料的硬度越高，强度越好。

总结：晶粒越小，则材料的力学性能越好。

采用的主要途径是：

晶核数目越多一晶粒越多一晶粒越细小，从而提高材料的力学性能。

（1）提高过冷度：（＞l（fc/s非晶态金属）

实验测出：冷却速度越大，生核速率越大＞长大速率。

（2）变质处理（孕育处理）：在液态金属中，加入一些细小的金属粉末（变

质剂）

（孕育剂）形成非自发晶核，使晶核数目增多，晶粒变细小。

（3）机械振动：使枝晶破碎成为几个晶核，使晶核数目增多（超生波振

动等）。

二、纯金属的晶体结构

概念：原子球、结点、晶格、晶胞、晶格常数（a、b、c、a、B、Y）

致密度：晶胞中原子占有的体积与晶胞体积之比。

纯金属的晶格类型：

1.体心立方晶胞

例如：纯铁（a-Fe）912℃I、W、Mo、V、Cr（B-Ti）882℃t

立方体:a=b=c；a=B=Y=90°

原子数：8Xl/8+l=2

致密度：0.68

原子的晶格结构不同，则性能不同，即使原子的晶格结构相同，但由于原

子的质量不同，性能也不同。

2.面心立方晶格

立方体a=b=ca=3=Y=90°

原子数：8X1/8+6X1/2=4

致密度：0.74

举例：铜：a=b=c=3.608X10\铜原子M=63.54X1.67XlO^g

铜原子的直径：D=2.5505A,计算铜的密度？

纯铁(V—Fe)912〜1394C、Al、Cu、Ag、Mn等。

三、纯铁的同素异晶转变(举列钻石和石墨)

纯铁：a—Fe-(912℃)Y-Fe(1394℃)-6-Fe(1538℃)-*L

二次结晶或重结晶。

提问：一定质量的纯铁加热到912〜1394c时，体积是增加还是减少，若

继续加热到1394〜1538℃时，体积是增大还是减少？

授课时间：班级：

本课课题：铁碳合金

教学目的和要求：1.了解合金、组元、系、相、固溶体、金属化合物、机

械混合物。

2.熟悉铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。

重点与难点：铁碳合金组织及其力学性能。

教学方法：讲授法。

课型：理论课

教学过程

第二节铁碳合金的基本组织

复习旧课：细化金属材料晶粒的方法及纯铁的结构。

元素（金属+非金属）共为108种，而纯金属一般共为83种。

Fe：HB80、ob=200MPa^C：HB3、。

Fe+C组成的合金化合物：HB800、cb=400MPao

Al：HB25、ob=80MPao

Al+Mg+Mn组成的铝合金化合物：HB70、ob=280MPao

而工业中的金属材料均为合金。

合金,

定义；金属元素同另一种或儿种金属元素或非金属元素组成的具有金属特

性的新材料。

金属特性：导电性、导热性、塑性、光泽。

例如：钢铁合金：Fe+C+Mn+Si、铝合金：（Al+Mg+Mn）、（Al+Ze

+Mn）、

铜合金:（Cu+Zn）、（Cu+Sn）、（Cu+Ni）等。

产生具有优良的使用性能和工艺性能方面的新材料（特出的物理、化学性

能）。

组元：

定义：合金中的最小单元。

合金系：

合金中百分含量不同的组元构成的一系列合金。铝合金（Al+Mg+Mn）。

铝合金：A1：99%、97%、95%.............

Mg：0.5%、2%、2%、......

Mn：0.5%、1%、3%........

二元合金系、三元合金系、四元合金系。

相：

具有同一化学成分，同一聚集状态，且有明显界面分开的独立均匀部分。

例如：液一单相、固相一单相、液+固两相。

一、固溶体：

定义：溶质原子进入溶剂中，依然保持晶格类型的金属晶体。

置换固溶体：d/d别＞0.85。（胖子到教室形象举例）

晶格歪扭、畸变，晶体缺陷。

,无限置换固溶体：Cu+Ni

有限置换固溶体：Cu+Zn

・温度越高，则溶解度（固溶量）越大。

间隙固溶体：d/d产0.59。（瘦子到教室形象举例）

晶格歪扭、畸变，晶体缺陷。

只能形成有限固溶体：C-a—Fe、727℃0.0218%。

因形成固溶体使材料强度、硬度升高的现象一固溶强化。（合金的好处）

L铁素体F：Cfa—Fe中形成的固溶体。

单相、层片状、体心立方晶格。

20℃0.0008%C（工业纯铁）。

727℃0.0218%Co

机械性能：6=30〜50%、w=70〜80%、aku-160-200J/cm\ab=180~

280MPa、HBS50〜80（770℃l磁性）。（应用简略提一下）

（饱和的盐水凝固点一21℃、其沸点108C。饱和NaOH溶液沸点314℃。）

2.奥氏体A：C-*v—Fe中形成的固溶体。

单相、层片状、面心立方晶格。

727℃0.77%C.1148℃2.U%Co

机械性能：6=40〜60%、ob=400-50MPa.HBS=170〜220、抗磁性。

（应用提一下）

二、金属化合物（中间相）（强化相）

形成：温度降低时析出的一种新材料。

FesC、Fez,C、VC>WC>CuZn>CU21Z1122

ot、HRCI、6I、wI、akuI。

渗碳体C：F+C层片相间叠加。硬度极高，而塑性、韧性极低。

三、机械混合物：

定义：a—固溶体+B-固溶体H----Fa—金属化合物+8—金属化合物

例如：钢铁、铝合金、铜合金、钛合金等。

1.珠光体P：F+Fe3c

两相，机械混合物。0.77%Co

机械性能：6=20〜25%、仇=800〜850MPa、HBS=280〜260。

强度高、硬度较高。（应用提一下）

2.莱氏体Ld、Ld：两相机械混合物，含碳量：4.3%Co

；Ld=A+C727-1148℃O（高温莱氏体）

Y-Ld=P+C20~727℃o（低温莱氏体）

机械性能：HB=560〜600、6=4〜5%。性能与渗碳体相近。（应用较少）

总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最

好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。

布置作业:

课后总结:

授课时间：班级:

本课课题：铁碳合金

教学目的和要求：1.熟悉简化的Fe—Fe3c状态图、分析：特性点、线和

区域组织。

2.熟悉典型成分铁碳合金的结晶过程分析及其在室温

下的组织。

重点与难点：掌握铁碳合金状态图。

教学方法：讲授法。

课型：理论课

教学过程

第三节铁碳合金状态图

复习旧课：铁碳合金组织及其力学性能。

一、铁碳合金状态图的建立

(1)配制不同成分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的冷却曲线。

(2)从各冷却曲线上找出临界点，并将各临界点分别画到成分一温度坐

标中。

(3)将意义相同的临界点连接起来。

二、Fe—Fe3c合金状态图的分析：

1.点(特性点)：

A1538℃100%Fe的熔点；D1227℃100%Fe3c的熔点；

G912℃100%Fe的同素异晶转变点(重结晶温度点)；

C1148℃4.3%C共晶点L-Ld(A+C)共晶反应；

F1148℃6.69%C虚点；P727℃100%Fe虚点；

K727℃6.69%C虚点、E1148℃2.11%C碳在丫一Fe中的最大

固溶量；

S727℃0.77%C碳在Y-Fe中的最小固溶量，共析点AfP共析反

应。

2.线(特性线)：

(1)AC线：液相线开始结晶出奥氏体：L-L+A。DC线：液相线开

始结晶出渗碳体：L-L+C。

(2)AE线：固相线奥氏体结晶终了线：L+A-A。ECF线：固相线(共

晶线)：共晶反应L-*Ld。

(3)GS线一A3线：从奥氏体中开始析出铁素体线。

(4)ES线一人加线：从奥氏体中开始析出渗碳体线(碳在奥氏体中的固

溶线)。

(5)PSK线一Ai线：共析线；